西安交大提出軟結構復合3D打印中的強韌粘接技術

來源： 科技日報

近日，從西安交通大學獲悉，該校機械結構強度與振動國家重點實驗室、航天航空學院軟機器實驗室研究人員與美國工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授合作提出一種軟結構3D打印的強韌粘接技術，實現(xiàn)了具有超強界面粘接的水凝膠/彈性體親疏水異質結構的打印。

親疏水復合結構在自然界中廣泛存在，如植物表層、細胞膜、神經軸突等。近年來，基于水凝膠/彈性體的人造親疏水軟結構取得了明顯進展，然而其構造仍較為簡單，無法媲美天然結構的復雜構造。作為快速成型技術，3D打印可用于復雜軟結構的制備，不過面臨著一大挑戰(zhàn)：多材料打印結構的界面粘接性能極差。這種異質材料的結合使細胞得以傳遞生物電信號，演化出紛繁復雜的生命系統(tǒng)。近年來，基于水凝膠-彈性體的親疏水結構取得明顯進展，在可拉伸電子、軟體機器人、摩擦發(fā)電機等領域有著廣泛的應用前景。3D打印技術的引入將使得這一領域在制備技術上得到進一步的提升。然而，現(xiàn)有的親疏水結構在打印過程中尚且不能滿足以下基本要求：以任意順序打印具有良好粘接性能的水凝膠/彈性體復合結構。

針對此問題，哈佛大學鎖志剛教授課題組與西安交通大學航天航空學院軟機器實驗室提出一種軟結構3D打印的強韌粘接技術，實現(xiàn)了具有超強界面粘接的水凝膠/彈性體親疏水異質結構的打印。研究人員將聯(lián)接引發(fā)劑溶于彈性體材料中，分別調節(jié)彈性體預聚液和水凝膠預聚液的粘度，將兩者以任意順序3D打印在一起，然后引發(fā)聚合反應，形成具有強韌粘接的水凝膠/彈性體復合體。該方法不同于常用的表面改性，采用本體改性的策略，可為可拉伸器件、軟機器制備以及其它異質材料的復合3D打印提供一種通用的解決方法。

如圖所示，研究人員分別制備了水凝膠和彈性體預聚體，并在彈性體內摻雜聯(lián)接引發(fā)劑，通過3D打印方式使兩者接觸在一起，紫外引發(fā)交聯(lián)后形成粘接良好的復合體。此處，研究人員以微球增強的雙網絡水凝膠、商用硅膠Ecoflex分別代表親疏水材料，以二苯甲酮作為聯(lián)接引發(fā)劑證明此方法的可行性。打印試樣的粘接能可達5000 J/m2 以上。

西安交大領銜的科研人員課題組將聯(lián)接引發(fā)劑溶于彈性體材料中，分別調節(jié)彈性體預聚液和水凝膠預聚液的粘度，將兩者以任意順序打印在一起，然后引發(fā)聚合反應，形成具有強韌粘接的水凝膠/彈性體復合體。不同于常規(guī)的表面改性，采用本體改性的策略，打印試樣的粘接能可達5000 J/m2 以上。該研究成果近日在國際權威期刊《先進功能材料》上發(fā)表。

研究人員分別打印了有粘接、無粘接復合柵格結構并對其進行壓縮。有粘接的試樣經受巨大壓縮仍不破壞（a）；而未采取粘接策略的試樣完全不能承載（b）。打印的復合蜂巢結構即使在經歷了70%壓縮應變后，仍能彈性回復（c）。在對復合打印的試樣拉伸和溶脹過程中，微球增強的水凝膠保持良好的力學性質（d，f）；而使用普通的PNaNAPS凝膠則發(fā)生拉伸斷裂和溶脹斷裂（e，g）。由此可見，形成穩(wěn)定的親疏水結構既需要良好的粘接，也需要強韌的基體材料。

采用聯(lián)接引發(fā)劑策略實現(xiàn)的復合打印異質材料間粘接良好。水凝膠，彈性體，打印的復合體都具有良好的拉伸性能（a），水凝膠的斷裂能高達10000 J/m2 （b）在引發(fā)劑摻加量僅0.5wt%時，復合體的界面已經強于基體材料，斷裂發(fā)生在凝膠中而非界面（c-d），超過5000 J/m2。粘接性能隨引發(fā)劑含量的變化（e-f），摻加量僅0.2wt %，仍能實現(xiàn)超過1000 J/m2 的粘接能。

該方法是解決3D打印軟結構粘接問題的通用方法，適用于多種水凝膠和彈性體，適用于光引發(fā)和熱引發(fā)策略，適用于其他的制備過程（如浸漬涂敷，dip coating），在軟器件的快速成型方面具有明顯的優(yōu)勢。

該研究工作發(fā)表于Advanced Functional Materials。西安交通大學研究生楊航、李成海、楊孟為共同第一作者。西安交通大學青年教師唐敬達，哈佛大學、美國工程院院士鎖志剛教授為論文共同通訊作者。佐治亞理工齊航教授為合作作者。

據(jù)介紹，此方適用于多種水凝膠和彈性體，光引發(fā)和熱引發(fā)策略，也適用于其他的制備過程（如浸漬涂敷，dip coating），為軟結構的3D打印提供了一種通用的解決方案，在可拉伸器件、軟機器等領域具有良好的應用前景。

來源： 科技日報